Forscher der ETH Zürich haben ein Papageienbild aus 87.500 Pixeln auf einen Halbleiterchip belichtet, das auf die Fläche eines Stecknadelkopfs passt. Jeder Bildpunkt misst rund 1,2 Mikrometer und ist damit etwa so groß wie ein Bakterium. Möglich wurde das durch einen leuchtenden Fotolack, der die aggressiven Chemikalien der Chipfertigung übersteht und organische Leuchtdioden erstmals mit dem Standardverfahren der Halbleiterindustrie formen lässt. Die Ergebnisse erschienen im Fachjournal Nature.
Bildschirme schrumpfen seit Jahren, während ihre Schärfe steigt. In Augmented-Reality-Brillen oder in den elektronischen Suchern moderner Kameras sitzen Anzeigen, deren Diagonale zum Teil weniger als einen Zentimeter beträgt. Auf so kleiner Fläche entscheidet die Größe der einzelnen Bildpunkte darüber, ob ein Bild scharf oder grobkörnig wirkt. Genau hier stoßen herkömmliche Leuchtdioden an eine Grenze, denn ihre Kristalle leuchten umso schwächer, je kleiner sie geschnitten werden. Organische Leuchtdioden, kurz OLED, bestehen dagegen aus Verbindungen auf Kohlenstoffbasis, und OLED-Pixel bleiben auch in winzigen Abmessungen hell. Das Papageienbild aus Zürich zeigt nun, wie fein sich solche Materialien anordnen lassen, sobald ein Hindernis wegfällt, das die Branche seit Jahren bremst, wie aus einer Mitteilung der ETH Zürich vom 23. September 2026 hervorgeht, die die Arbeit der beteiligten Gruppen zusammenfasst.
Das Hindernis liegt in der Fertigung. Mikrochips entstehen durch Fotolithografie: Ein lichtempfindlicher Lack wird auf eine Siliziumscheibe aufgetragen, durch eine Maske belichtet und anschließend mit Lösungsmitteln entwickelt, sodass nur die gewünschten Strukturen stehen bleiben. Das Verfahren erreicht Genauigkeiten von wenigen Nanometern und ist in der Halbleiterindustrie seit Jahrzehnten etabliert. Für organische Leuchtstoffe war es bisher tabu, weil die Lösungsmittel und Entwicklerchemikalien die empfindlichen Kohlenstoffmoleküle angreifen und zersetzen. Hersteller von OLED-Bildschirmen dampfen die Leuchtschichten deshalb meist durch feine Metallmasken auf oder drucken sie, was die erreichbare Feinheit und die Ausrichtung der Farbpixel zueinander begrenzt. Das Team um Chih-Jen Shih von der ETH Zürich und Yinyin Bao, der inzwischen an der Universität Helsinki lehrt, hat diese Hürde mit einem Material umgangen, das zwei Aufgaben zugleich erfüllt.
Die Forscher entwickelten farbige Leuchtpolymere, die gleichzeitig als Fotolack dienen. Sie lassen sich auf einen Halbleiterchip auftragen und vernetzen sich dort, wo ultraviolettes Licht auf sie fällt. An diesen Stellen wird das Material unlöslich, überall sonst wäscht die Entwicklung es weg, genau wie bei einem gewöhnlichen Fotolack. Der Trick steckt im Aufbau der Moleküle, die nach dem Kern-Schale-Prinzip gebaut sind: Im Innern sitzt das farbig leuchtende Molekül, um das herum sternförmig angeordnete Arme liegen. Nur die äußeren Enden dieser Arme reagieren auf das UV-Licht und verbinden sich mit den Armen benachbarter Sterne zu einem festen Netzwerk. Der innere Teil der Arme hält die reaktiven Enden auf Abstand und schirmt den Leuchtkern ab, sodass die aggressiven Chemikalien der Lithografie ihm kaum etwas anhaben können. Die beiden Funktionen, Leuchten und Vernetzen, sind damit räumlich voneinander getrennt. Ein Mitautor der RMIT University in Melbourne bestätigte diese Schutzwirkung zusätzlich mit Computersimulationen, die das Verhalten der Molekülkomplexe unter den Bedingungen der Chipfertigung nachbildeten.
Wie präzise sich verschiedenfarbige Leuchtmaterialien mit dem Verfahren anordnen lassen, zeigten die Forscher mit einem Testbild: einem Ara, der 300 mal 430 Mikrometer misst und aus 250 mal 350 Bildpunkten besteht. Jeder Bildpunkt ist damit rund 1,2 Mikrometer groß; auf der Breite eines menschlichen Haares von etwa 70 Mikrometern hätten fast 60 dieser Pixel nebeneinander Platz. Rechnet man die Dichte auf das übliche Maß von Bildpunkten pro Zoll um, ergeben sich mehr als 20.000, während Smartphone-Bildschirme typischerweise einige Hundert erreichen. Das Papageienbild ist allerdings noch kein Bildschirm: Die Pixel werden nicht elektrisch angesteuert, sondern von außen mit Licht angeregt und leuchten dann in ihrer jeweiligen Farbe nach, sie fluoreszieren. Es handelt sich nach Angaben des Teams um das bislang höchstaufgelöste mehrfarbige Fluoreszenzbild, das je mit Fotolithografie hergestellt wurde, wie die in Nature veröffentlichte Studie dokumentiert, und es dient vor allem als Nachweis, dass mehrere Farbschichten nacheinander belichtet werden können, ohne dass die zuvor aufgetragenen Leuchtstoffe Schaden nehmen.
Dass sich mit dem Fotolack auch elektrisch betriebene Leuchtdioden bauen lassen, belegte das Team mit einem zweiten Testmuster: einem 1 mal 2,4 Millimeter großen leuchtenden ETH-Logo, das in Zusammenarbeit mit der Gruppe des Elektronikprofessors Hua Wang entstand. Hier fließt Strom durch die organischen Schichten, und die Pixel senden selbst Licht aus, so wie in einem OLED-Fernseher, nur um ein Vielfaches kleiner. Der Schritt vom Logo zum funktionierenden Mikrobildschirm ist dennoch groß: Damit ein Display Bilder anzeigen kann, muss jeder Bildpunkt einzeln angesteuert werden, wofür eine passende Elektronik auf dem Chip nötig ist. Diese Ansteuerung steht ebenso auf der Liste der nächsten Schritte wie eine weitere Verkleinerung der elektrisch betriebenen Pixel. Angaben zur Helligkeit und Lebensdauer der neuen Materialien im Dauerbetrieb, entscheidende Größen für jedes kommerzielle Display, macht die Universität in ihrer Mitteilung nicht, sodass die Alltagstauglichkeit der Polymere vorerst offen bleibt.
Die naheliegendsten Anwendungen liegen dort, wo Bildschirme extrem klein und zugleich extrem scharf sein müssen: in Augmented-Reality-Brillen, in Virtual-Reality-Headsets und in elektronischen Kamerasuchern, die das Bild direkt vor das Auge bringen. In solchen Geräten sitzen die Leuchtschichten unmittelbar auf einem Siliziumchip, der auch die Steuerelektronik trägt. Wenn sich die Leuchtstoffe mit denselben Belichtungsanlagen strukturieren lassen wie der Mikrochip selbst, passen die Farbpixel exakt zu den darunterliegenden Schaltungen, und Hersteller können auf Maschinen zurückgreifen, die in der Chipindustrie ohnehin stehen. Für Fernseher und Monitore dürfte das Verfahren dagegen auf absehbare Zeit keine Rolle spielen, weil deren Pixel groß genug sind, um mit den heutigen Methoden auszukommen. Der Weg vom Laborchip zum Serienprodukt bleibt zudem weit: Die Arbeit ist eine Machbarkeitsstudie mit Testmustern, keine Fertigungstechnik, und ob sich die Polymere in großen Stückzahlen gleichmäßig herstellen lassen, muss sich erst zeigen.
Shih sieht den Nutzen nicht nur in Bildschirmen. Weil sich mit dem Verfahren Lichtquellen von wenigen Mikrometern Größe direkt auf Mikrochips herstellen lassen, entsteht Licht punktgenau dort, wo es gebraucht wird. In der Medizintechnik könnten solche Miniaturlichtquellen in Instrumente wandern, in der biologischen Forschung ließen sich einzelne Zellen gezielt beleuchten oder Nervenzellen in einer Petrischale mit Licht anregen. Auch in der Mikroskopie und in Sensoren könnten winzige, präzise steuerbare Leuchtdioden neue Möglichkeiten eröffnen. Bao beschreibt die neue Klasse langkettiger Moleküle als Baukasten, aus dem sich durch direkte Belichtung OLED-Pixel formen lassen; welche Farben, Größen und Helligkeiten damit noch erreichbar sind, wollen die Gruppen in Zürich und Helsinki in den kommenden Jahren ausloten. Das Papageienbild markiert damit den Anfang einer Entwicklung, an deren Ende ein Bildschirm stehen könnte, der kleiner als ein Fingernagel ist und dennoch schärfer als jedes heutige Smartphone.
Nature, Electroluminescent photoresists extending lithographic scaling to OLEDs; doi:10.1038/s41586-026-11042-0